機(jī)場道面結(jié)構(gòu)荷載作用深度的數(shù)值模擬

李香香 王慧穎 田昱文 劉鄭 王巖梓

摘? 要：隨著科技的日益發(fā)展，民航事業(yè)的突飛猛進(jìn)，針對機(jī)場道面的研究也越來越多。在飛機(jī)往復(fù)的起飛與降落作用下，許多的因素會對道面產(chǎn)生不同程度的影響，以至于對機(jī)場道面的建設(shè)會產(chǎn)生許多的要求。其中，荷載作用深度對道面會產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，文章通過利用有限差分方法進(jìn)行數(shù)值模擬，對機(jī)場道面的荷載作用深度進(jìn)行研究。研究表明，在道面下一定深度范圍內(nèi)，道面荷載會對道面產(chǎn)生影響，且影響大小隨深度逐漸降低;超出這個范圍，道面荷載對道面的影響太小基本上可以忽略。

關(guān)鍵詞：機(jī)場道面;道面荷載;作用深度;數(shù)值模擬

中圖分類號：V351? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0035-02

Abstract： With the development of science and technology， the civil aviation industry has made rapid progress， and there are more and more researches on airport pavement. Under the action of repeated take-off and landing， many factors will have different degrees of impact on the runway， so that there will be a lot of requirements on the construction of airport runway. Among them， the loading depth has a significant influence on the pavement surface. Therefore， the loading depth of airport pavement was studied by numerical simulation in this paper. The research shows that within a certain depth range under the pavement the pavement load will have an impact on the pavement， and the value decreased with the depth. Beyond this range， the impact of pavement load on the pavement is too small to be ignored.

Keywords： airport pavement; pavement load; depth; numerical simulation

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，民航事業(yè)的蓬勃發(fā)展，研究者對機(jī)場的各方面已經(jīng)有了大量深刻的研究，其中關(guān)于機(jī)場道面荷載作用的研究比較廣泛。姚妙嫻等[1]在研究中指出飛機(jī)荷載引起的附加應(yīng)力沿深度方向迅速衰減。周蘇杰[2]等發(fā)現(xiàn)道面與地基會在飛機(jī)荷載作用下，會產(chǎn)生沉降的問題。利用對不同起落架的荷載作用研究，表明在荷載作用下，道面會產(chǎn)生裂縫甚至斷板，混凝土損壞后，可能會導(dǎo)致路基出現(xiàn)空洞或不均勻變形。張寶鵬[3]等利用對荷載作用的研究，表明荷載在不同位置作用時，對道面結(jié)構(gòu)的影響不同。其中，荷載作用于板角時，道面位移最大。因此，荷載作用因素對道面的影響非常大。然而目前對于荷載深度的研究普遍較少，機(jī)場道面荷載作用深度影響著土基的沉降以及道面結(jié)構(gòu)的耐久性，對于不停航條件下的機(jī)場道面下穿工程也有普遍的參考意義，因此極有必要進(jìn)行深入研究。

1 道面結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬參數(shù)

1.1 水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度

根據(jù)《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》（MH/T5004-2010）道面水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，應(yīng)采用28d齡期彎拉強(qiáng)度。對于飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)镃、D、E、F的機(jī)場，其水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不應(yīng)低于5.0MPa。

1.2 水泥混凝土彎拉彈性模量和泊松比

當(dāng)水泥混凝土的彎拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為5MPa時，水泥混凝土彎拉彈性模量為37GPa，水泥混凝土泊松比μ設(shè)為0.15。

1.3 基層頂面反應(yīng)模量最低值

基層頂面反應(yīng)模量，對于飛行區(qū)指II為C、D、E、F時，不應(yīng)低于80MN/m3。

1.4 新建道面水泥混凝土板的最小厚度

新建道面水泥混凝土板的厚度，飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)镃、D、E、F時不應(yīng)小于240mm。

由以上機(jī)場建設(shè)規(guī)范對道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)模型中的參數(shù)如表1所示。

2 本構(gòu)模型的選擇

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）為三維有限差分?jǐn)?shù)值方法，通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)，單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型。常海鋒[4]利用FLAC3D模擬路基的沉降、應(yīng)力變化，為路基填筑工作提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，并為安全生產(chǎn)提供一定的保障。本文采用FLAC3D塑性模型中的摩爾庫倫模型進(jìn)行計(jì)算。摩爾庫倫本構(gòu)模型對于粉土、砂土、巖石等符合彈塑性本構(gòu)關(guān)系的材料均有較好的模擬效果。

3 模型設(shè)計(jì)

機(jī)場道面是多層次的層狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)各層次的功能和所用材料特性， 將其劃分為面層、基層和土基三個層次[5]。道面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)時，通常假設(shè)道面板簡化為矩形薄板[6]。

設(shè)計(jì)5m×5m×5m，網(wǎng)格的三邊長度均為2mm的數(shù)據(jù)分析模型，以更加直觀的數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)，來對道面進(jìn)行模擬分析。荷載作用對道面的影響范圍，即荷載作用深度的測定。其中設(shè)定圖中綠色代表跑道面層（A），紅色代表基層（B），紫色代表墊層（C），最下面的藍(lán)色代表土基（D），模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

4 荷載的施加

導(dǎo)入道面參數(shù)后。利用各項(xiàng)同性的彈性模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)層在只有重力的情況下道面產(chǎn)生的位移與應(yīng)力，將得到的數(shù)據(jù)清零。對歸零后的模型使用摩爾庫倫模型，機(jī)輪荷載沿z軸方向作用在面層表面。這樣可以去除重力對模型計(jì)算的影響。

本文采用A320為機(jī)輪荷載測試機(jī)型，A320的輪載為1.14MPa，輪胎著地寬度為0.25m，輪胎著地長度為0.4m，起落架胎數(shù)為2個，輪胎間距為0.78m。

5 荷載作用深度的確定

為了確保道面產(chǎn)生明顯的位移，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種荷載。第一種荷載：只施加重力;第二種荷載：施加重力和機(jī)輪荷載，位移隨深度對的變化如圖2所示。

從圖中可知：

（1）不加荷載的位移隨深度的加深，位移緩慢減小，位移最大值約為2.5mm，加荷載的位移隨著深度的增加，在0～1m處出現(xiàn)峰值約5mm，之后位移也減小，但減小速度較不加荷載情況快。

（2）加荷位移與不加荷位移在深度為0～1m處，相差約2.5mm，相差比較大，隨后位移差逐漸減小，趨于相等，位移深度為4m時，加荷位移與不加荷位移基本一致。

（3）荷載作用深度在0～4m的深度范圍內(nèi)，荷載會對道面位移產(chǎn)生影響，荷載作用深度超過4m以后，荷載對道面位移的影響可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)論

本論文利用有限差分方法對于某一特定機(jī)型的荷載作用深度進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬可以得出以下結(jié)論：

（1）利用有限差分方法可以對道面受荷情況進(jìn)行很好的模擬，其荷載作用規(guī)律與理論解基本一致。

（2）飛機(jī)荷載大小及作用效果隨著深度的增加，逐漸減小，飛機(jī)荷載僅對基層淺部土體應(yīng)力產(chǎn)生影響，對于深部土體影響有限。

（3）對于模擬工況，A320的飛機(jī)荷載作用深度為4m，超過4m以后，飛機(jī)荷載作用的影響深度可以忽略不計(jì)。

（4）對于荷載較大的機(jī)型需對機(jī)場道面受力情況進(jìn)行專項(xiàng)評估，對于機(jī)場不停航穿越工程，當(dāng)位于飛機(jī)荷載影響區(qū)內(nèi)時，需考慮飛機(jī)荷載的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚妙嫻，韓進(jìn)寶，張合青.飛機(jī)荷載作用下道面及地基土數(shù)值分析[J].低溫建筑技術(shù)，2016，38（01）：109-111.

[2]周蘇杰.飛機(jī)荷載作用下機(jī)場道基動力響應(yīng)及沉降分析[D].南京航空航天大學(xué)，2018.

[3]張寶鵬.局部嵌固式修復(fù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與施工工藝研究[D].中國民航大學(xué)，2017.

[4]常海鋒.淺談FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[J].四川建材，2020，46（05）：51-52.

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[6]鄭飛，翁興中.飛機(jī)荷載下水泥混凝土道面板應(yīng)力計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2010，10（04）：8-15.